一次元のダランベールの公式
📂偏微分方程式一次元のダランベールの公式
定理
波動方程式のコーシー問題が次のように与えられたとしよう。
utt−uxxu=g,ut==0\hin R2=Rx×Rton R×{t=0}
この時、g∈C2(R),h∈C1(R)である。そして、u(x,t)を以下のように定義しよう。
u(x,t)=21[g(x+t)+g(x−t)]+21∫x−tx+th(y)dy∀ (x,t)∈R2
すると、u∈C2(R2)は与えられたコーシー問題の解である。
説明
(1)をダランベールの公式d’Alembert’s formulaと言う。1次元とは、空間における次元を意味する。
証明
与えられた微分方程式を次のように表そう。
(∂t+∂x)(∂t−∂x)u=utt−uxx=0in R2
そして、vを以下のように定義しよう。
v=(∂t−∂x)u=ut−ux∈C1(R2)
すると、与えられた微分方程式は以下の同次輸送方程式となる。
vt+vx=0in R2
すると、a(ξ):=v(ξ,0),ξ∈Rとした時、v(x,t)=a(x−t)である。vの定義により、以下が満たされる。
ut−ux=a(x−t)∀ (x,t)∈R2
これは非同次輸送方程式である。u(x,0)=g(x)であるので、非同次輸送方程式の解は以下のように与えられる。
u(x,t)=== g(x+t)+∫0ta(x+(s−t)(−1)−s)ds g(x+t)+∫0ta(x+t−2s)ds g(x+t)+21∫x−tx+ta(y)dy
3番目の等号は−2s+x+t=yに置き換えると成立する。g∈C2そしてv∈C1であるので、uをtに関して微分すると、以下を得る。
ut(x,t)=g′(x+t)+21(a(x+t)+a(x−t))
仮定により、ut(x,0)=h(x)であるので、以下が成立する。
h(x)=g′(x)+a(x) ⟹ a(x)=h(x)−g′(x)
したがって、u(x,t)は以下のようである。
u(x,t)== g(x+t)+21∫x−tx+t[h(y)−g′(y)]dy 21[g(x+t)+g(x−t)]+21∫x−tx+th(y)dy∀ (x,t)∈R2
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